基于辦公業態下中央空調冷凍水旁通對系統制冷效率的影響及節能優化

歐二勝（上海建科節能技術有限公司，上海 200032）

在大型辦公樓建筑中，中央空調系統在制冷時，冷凍水出水通過輸配系統，將冷量輸送至各個辦公需求區域。控制好冷凍水進出水溫度和輸配流量情況，不僅會影響各個辦公房間的舒適度，還會影響中央空調主機的能源消耗及系統效率。大型辦公樓的中央空調系統一般由物業管理公司的專職專崗人員進行管理，不同的管理方法及操作步驟均會帶來不同的運行效果及導致空調系統制冷效率的高低。立足項目實際案例，基于大型辦公樓性質下，中央空調冷凍水旁通情況對系統制冷效率的影響，研究分析制冷效率的提升及節能潛力的經濟性分析。

1 項目概況

本次研究的大型辦公樓項目位于上海市徐匯區，該大型辦公樓總建筑面積為 67 733 m2，其中，地上 22 F，建筑功能均為辦公；地下 2 F，建筑功能為地下車庫及設備機房。本項目中央空調制冷系統設備位于地下 1 F，系統主機由 2 臺制冷量為 3 868 kW 的離心式冷水機組和 1 臺制冷量為 1 448 kW 的螺桿式冷水機組并聯組成；輸配系統設備由 5 臺冷凍水泵、5臺冷卻水泵、分水器以及集水器組成。冷水機組設備參數如表 1 所示，輸配系統設備參數如表 2 所示。

表1 冷水機組設備參數

表2 輸配系統設備參數

2 原始旁通工況

本研究項目測試日期為 2020 年 7 月 29 日，當天為晴天，室外干球溫度 35 ℃，相對濕度 65.6% RH。中央空調制冷系統開啟 1 臺額定制冷量為 3 868 kW 的 1 號主機，2臺功率均為 90 kW 的冷凍水泵及 2 臺功率均為 90 kW 的冷卻水泵。

制冷系統運行時，3 臺冷水機組的冷凍水進水管及出水管的閥門均處于開啟狀態，整個中央空調制冷系統的冷凍水存在旁通情況。在此情況下，進行冷凍水進出水總管溫度測試、冷凍水出水總管流量測試以及 1 號主機制冷功率測試，待中央空調制冷系統運行穩定后，每間隔 5 min 采集一次數據。測試結果如表 3 所示。

表3 原始旁通工況下測試數據

3 優化運行工況

保持 1 號主機開啟、2 號主機和 3 號主機關閉的狀態，對 3 臺冷水機組的冷凍水輸配管路情況進行優化。關閉 2號主機和 3 號主機的冷凍水進出水管閥門，保持 1 號主機的冷凍水進出水管閥門開度處于全開狀態，使得整個系統冷凍水回水僅流回 1 號主機，同時也僅有 1 號機組的冷凍水出水在系統內循環。待中央空調制冷系統運行穩定后，每間隔 5 min 采集一次數據。測試結果如表 4 所示。

表4 優化運行工況下測試數據

4 制冷效率對比

測試得到的數據，通過公式（1）計算得到中央空調制冷系統的制冷效率 COP。

式中：COP—主機制冷性能；

C—冷凍水比熱容，取 4.2×103 J/(kg·℃)；

Q—冷凍水流量，m3/h；

TI—冷凍水進水溫度，℃；

TO—冷凍水出水溫度，℃；

P—主機功率，kW。

原始旁通工況下主機制冷效率 COP 計算結果如表 5所示，優化運行工況下主機制冷效率 COP 計算結果如表 6所示。

表5 原始旁通工況下主機制冷效率 COP 計算結果

表6 優化運行工況下主機制冷效率 COP 計算結果

對比原始旁通工況和優化運行工況的主機制冷效率 COP計算結果可知，在原始旁通工況下，系統的制冷效率 COP范圍為 3.29～3.77，眾數為 3.51，平均值為 3.57。在關閉閥門避免各主機間冷凍水旁通的優化工況下，主機的制冷效率 COP 范圍為 5.58～5.78，眾數為 5.77，平均值為 5.69。相對原始旁通工況的平均值提高了 59.4%。

5 節能優化分析

在原始旁通情況下，2 號主機和 3 號主機未開啟，集水器的冷凍水回水進入 2 號主機和 3 號主機后，直接從冷凍水出水口流出，與 1 號主機經過制冷得到的冷凍水共同匯入冷凍水總管進入分水器中。這相當于從空調末端返回的溫度較高的冷凍水，直接與 1 號主機制取的溫度較低的冷凍水混合，通過分水器再送往空調末端。經過之前 1 號主機、2 號主機及 3 號主機的冷凍水出水管混合后，分水器的冷凍水溫度高于 1 號主機的冷凍水出水溫度。

關閉 2 號主機和 3 號主機的冷凍水進出水管閥門后，集水器的冷凍水僅能流入 1 號主機，并且經過 1 號主機制冷換熱后，1 號主機制取的冷凍水匯入冷凍水總管后，未發生原始旁通情況下的冷凍水混合情況，分水器的冷凍水溫度等同于 1 號主機冷凍水出水溫度。

在單臺主機高負荷運行狀態下，通過優化前后兩種工況的對比可得知關閉未開啟機組的冷凍水閥門、避免系統中冷凍水旁通后，運行狀態的系統制冷效率提升了 59.4%。

在中央空調制冷系統中，冷水機組主機在不同負荷狀態下，機組制冷性能 COP 的值并不相同。根據上海市工程建設規范 DG/TJ 08－2078－2014 《建筑能效標識技術標準》中參照建筑單臺機組部分負荷性能系數表可知，離心機組在 75% 負荷狀態下 COP 最高，螺桿機組在 50% 負荷狀態下 COP 最高。建筑單臺機組部分負荷性能系數如表 7所示。

表7 參照建筑單臺機組部分負荷性能系數表

本項目開啟的主機為離心式冷水機組，額定制冷量為 3 868 kW，額定制冷功率為 626 kW，額定 COP 為6.18。經測試，經過優化后 100% 負荷狀態下，實際 COP為 5.69，但離心式冷水機組的 COP 應在 75% 的狀態下制冷性能最佳。按照 DG/TJ 08－2078－2014 中式（2）和式（3）對不同負荷下對應 COP 進行計算，具體如式（2）、式（3）所示。

本項目中，由于離心式冷水機組的使用時間較長，主機制冷存在性能上的衰退，因此額定 COP 取值為 5.69。通過計算得到離心式冷水機組在 75% 負荷的狀態下，COP為 6.30。

本項目的離心式冷水機組在 75% 負荷狀態下，運行 COP 應為 6.30，比優化后的 100% 負荷狀態 COP 提高10.7%，比優化前冷凍水旁通且 100% 負荷狀態下 COP 提高 76.5%。

本項目此時單獨開啟 1 臺額定制冷量為 3 868 kW 的離心式冷水機組，由于 100% 負荷下的 COP 并非最高，因此建議增加開啟 1 臺額定制冷量為 1 448 kW 的螺桿式冷水機組，使得螺桿式冷水機組的負荷率為 50%，離心式冷水機組負荷率為 75%。制冷量不僅可滿足需求，同時也使得螺桿式冷水機組和離心式冷水機組處于 COP 最高值狀態，制冷性能達到最高效。

相應運行負荷對應的功率為制冷量與制冷性能 COP 的比值，離心式冷水主機在 75% 的負荷率下，對應的制冷量為 2 901 kW，COP 為 6.30，制冷功率為 460 kW；螺桿式冷水主機在 50% 的負荷率下，對應的制冷量為 724 kW，COP 為 6.63，制冷功率為 109 kW；系統內主機制冷功率為569 kW。相較未優化前的單臺離心式主機制冷功率平均值637 kW，降低了 68 kW，幅度為 10.68%，即開啟相同時間下，能耗和費用均降低 10.68%。

未優化前，單臺離心式冷水機組的運行時間為8:00～16:00，制冷季單開 1 臺離心式冷水機組的天數為90 d。通過計算得到未優化情況下單臺離心式主機的耗電量為 458 640 kWh。通過加開 1 臺螺桿式冷水機組且進行優化后，降低 10.68% 的能耗，共降低 48 983 kWh，如商業用電取值每千瓦時 0.8 元，則系統制冷主機年運行費用可降低約 39 186 元。

6 結 語

在大型辦公樓建筑中，中央空調系統制冷模式下，系統設備管理措施方面存在著節能效益和空間。科學合理的操作不僅可發揮主機的制冷最佳性能，同時還可降低主機的運行能耗，減少設備的運行成本。通過制定設備操作制度，依據制冷主機的類型，科學開啟主機數量和控制主機運行負荷，規范避免已開主機和未開主機間冷凍水的旁通，發揮主機的制冷最佳性能，達到節能降耗減少運行費用的效果。同時對設備管理人員進行定期培訓，結合相關的激勵措施辦法，將節省的運行費用用于激勵設備管理人員，將獲得更好的實際效果。

在北京市、上海市、廣州市和深圳市此類一線城市中，不僅存在大量的大型辦公樓應用中央空調系統，還有其他一些規模較大的包括商場、賓館酒店、體育場館、醫療建筑及機關建筑等其他公共建筑。據《2019 年上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測及分析報告》，2019 年上海市公共建筑主要用能分項在制冷季的用電量約為 11.5 億度，數量級達到了 10 億級別，基數較大。據《深圳市大型公共建筑能耗監測情況報告(2019 年度)》，2019 年深圳市全市監測公共建筑的空調用電量占總用電量比例的 26.5%，用能占比接近 30% 且不包括分體空調設備。就節約能耗方面而言，大型公共建筑的中央空調系統的節能規模和效益定會對城市的總能耗產生積極影響，也會對城市的綠色生態文明建設進程有著深遠的意義。